Mierzymy duże prądy – boczniki prądowe DIY

bocznik-2Bocznik, czyli rezystor o bardzo małej rezystancji (wartości mΩ) i dużej precyzji, przeznaczony do pomiaru dużych prądów, nie wprowadzający znaczących strat w układzie. Zwykły miernik na zakresie 10A w rzeczywistości nie nadaje się do pomiaru prądów większych niż 5A, ponieważ wprowadza ogromne straty (spadki napięcia) w całym układzie – stąd potrzeba stosowania boczników. To bardzo przydatne elementy, niezastąpione przy pomiarze mocy czy obliczaniu sprawności przetwornic czy innych układów. Pokażę jak wykonałem swoje – całkowity koszt 0zł.

Skąd?

res1W trzeciej części artykułu o odzysku ogniw z baterii laptopa wspomniałem o elementach, które można odzyskać z płytek drukowanych tych baterii. Jednymi z nich, były precyzyjne boczniki pomiarowe firmy Vishay Dale, o oznaczeniu właściwym WSL2512RXXF. Gdzie WSL to model, 2512 to typ obudowy SMD, RXX to rezystancja (np R01 to .01Ω czyli 10mΩ), a F to tolerancja, w tym przypadku F to ±1%. Na wszystkich płytkach siedziały rezystory głównie 10mΩ i 20mΩ (te wykorzystamy), ale trafiały się też pojedyncze sztuki 15mΩ, 25mΩ, 30mΩ, 50mΩ, czy 70mΩ – wartości niezbyt przyjazne, niżej będzie czemu. Z owych rezystorów zbuduję swoje boczniki, nic trudnego, wystarczy połączyć je równolegle w jakąś sensowną wartość i wlutować na płytkę. A co jeśli nie mamy takich przydasiów? Cóż, pozostaje zakup, jednak muszą być to rezystory o niskiej tolerancji i minimalnym dryfcie temperaturowym, czyli słowem przeznaczone do pomiaru prądu.

Teoria pomiaru

obliczNic trudnego. Działa to tak samo jak bocznik w multimetrze, z tym że nie występują tak duże spadki napięcia na złączach i przewodach pomiarowych. Całym procesem zarządza oczywiście prawo Ohma – podając napięcie 1V na rezystor 1Ω otrzymamy prąd 1A. Żeby sprawdzić jaki prąd płynie w obwodzie, wystarczy że znamy rezystancję odcinka który chcemy zbadać oraz zbadać spadek napięcia jaki na nim występuje. Jeśli na odcinku obwodu o rezystancji 1Ω odkłada się napięcie 1V, to znaczy że płynie tam prąd o wartości 1A i nie może być inaczej. Oczywiście nie możemy użyć tak dużej rezystancji do pomiarów, bo przy prądzie 5A wystąpi na nim spadek aż 5V i mierzony układ zwyczajnie przestanie działać. Do tego rezystor zamieni się w grzałkę, i przy takiej pracy aż 25W będzie się zamieniało na nim w ciepło. Przy rezystancji 0,1Ω (100mΩ) przy przepływie prądu 5A wystąpi spadek już tylko 0,5V(500mV) i to jest wartość akceptowalna, ale nadal tracimy aż 2,5W i wprowadzamy spore straty w badanym obwodzie. A co jeśli by użyć rezystora o wartości 0,01Ω (10mΩ)? Oczywiście odkładające napięcie zmieni się proporcjonalnie, i będzie wynosiło już tylko 50mV (dla 5A) ze stratami 0,25W. Idąc dalej, i używając rezystancji 1mΩ, spadek dla 5A wyniesie tylko 5mV (0,005V) więc praktycznie nieistotny i pomijalny w badanym układzie, ze stratami 0,025W.

Różnice

schemat-amperomierz
Pierwszy obwód to zwykły pomiar multimetrem, przykładowo na zakresie 10A. Zmierzony prąd będzie wskazywany dobrze, ale będzie zaniżany. Drugi miernik mierzy napięcie, co ważne, ZA amperomierzem, więc jesteśmy w stanie określić faktyczną moc pobieraną przez odbiornik, w tym przypadku żarówkę. Gdyby mierzyć to napięcie przed amperomierzem, będziemy mieli pomiar nie uwzględniający spadku napięcia na amperomierzu i wyniki będą obarczone błędem.

schemat-bocznik
Kolejny schemat pokazuje sposób pomiaru przy pomocy bocznika. Mierzymy woltomierzem napięcie które się na nim odkłada, i znając jego rezystancję, liczymy przepływający prąd. Taki sposób minimalizuje naszą ingerencję w układ. W prawdzie multimetr mierzy na identycznej zasadzie, ale…

schemat-amperomierz2
Ostatni schemat pokazuje bliżej jak mierzy multimetr. Napięcie odkładające się na jego wewnętrznym boczniku jest mierzone przez zwykły woltomierz, przeliczane, i wyświetlane. Środkowy rezystor to właśnie bocznik, a rezystory z lewej i prawej to przewody miernika włączone w badany obwód. Mają większą rezystancję niż sam bocznik, i choć miernik prawidłowo wskaże płynący w obwodzie prąd, to przewody i gniazda miernika powodują że prąd płynący w układzie będzie niższy, więc nie zmierzymy tak na prawdę prądu który płynie tam bez naszej ingerencji. Po za tym możliwości miernika do 5A lub 10A do 10 sekund często mogą okazać się za małe.

Jak to zmierzyć?

Zwykłym multimetrem na zakresie pomiaru napięcia, każdy nawet bazarowy multimetr posiada zakres 200,0mV. Odkładające się napięcie mierzymy bezpośrednio na nogach rezystora – patrz drugi schemat powyżej. Jeśli dla rezystancji 10mΩ wskazanie multimetru będzie wynosiło 50mV, to znaczy że w obwodzie płynie prąd o wartości 5A, i mierzymy prąd z rozdzielczością 0,01A (wskazanie 0,1mV to 10mA) – dosyć dokładnie. A do tego dla prądu 5A spadek wyniesie jedynie 0,05V! Korzystając z prawa Ohma, liczymy że przy 5A w obwodzie i rezystorze 10mΩ, moc strat na tym rezystorze wyniesie jedynie 0,25W – wniosek, rezystor się praktycznie nie grzeje, wystarczy że będzie oddawał swoje ciepło na płytkę drukowaną.

A co z pomiarem na rezystancji 1mΩ? Otóż 1mV i ten sam prąd 5A da wskazanie 5mV i zmierzymy prąd z rozdzielczością 0,1A, więc niezbyt wysoką, ale za to możemy mierzyć jeszcze większe prądy, bo straty będą 10x mniejsze. Jeśli nie chcemy mierzyć prądów 1kA czy większych, no bo gdzie amator takie prądy ma mierzyć i po co, to polecam wykonanie boczników o wartości 10mΩ – te się najlepiej sprawdzą. Można połączyć równolegle dwa rezystory 20mΩ uzyskując taką wartość a tym samym dwukrotnie zwiększając możliwości prądowe i termiczne bocznika, zmniejszy się także jego wypadkowa tolerancja. Można kombinować, dla zwiększenia tych parametrów można łączyć te rezystory szeregowo-równolegle. No dobra, ale mam też rezystory o innych wartościach, więc czemu bocznik o wartości 15mΩ albo 25mΩ czy innej jest zły? Nie jest zły, ale nie utrudniajmy sobie życia. Wartość napięcia odczytaną z multimetru będzie trzeba przeliczać. W przypadku 10mΩ wystarczy przesunąć kropkę wskazania i już mamy wynik.

Konstrukcja

bocznik-pcbNic skomplikowanego. Kawałek laminatu na którym wystarczy wykonać nacięcie lub wytrawić przerwę w miedzi dzieląc ją na dwie części, i wzdłuż nacięcia przylutować rezystory. Polecam pozostawić jakieś odstępy, jeśli w razie czego zajdzie potrzeba wymiany jednego z rezystorów. Pole miedzi powinno być wystarczające dla dużych prądów, nie będzie trzeba tego pobielać cyną. Bardzo funkcjonalnym dodatkiem są gniazda dla elektrod miernika, aby nie trzeba było kombinować z dodatkowymi przewodami krokodylek-krokodylek i wprowadzać zbędnego bałaganu. Złącza te pochodzą z wtyczki MOLEX, takiej jaką stosowało się jeszcze nie tak dawno temu do podłączania zasilania dysków lub napędów PC. Po delikatnym wgięciu do środka małych skrzydełek które w obudowie wtyczki trzymały złącze na miejscu, elektroda miernika bardzo ładnie pasuje w to miejsce, zachowując w miarę dobry kontakt elektryczny i mechaniczny.

bocznik-krokodylkiWiększym zmartwieniem będzie sposób podłączania takiego bocznika do układu. Dla prądów do 5A sprawdzą się duże krokodylki i krótkie grube przewody, tu na zdjęciu 3,5mm². Przewody solidnie zalutowane w krokodylkach i na płytce, należy pamiętać że dla najlepszego kontaktu krokodylki dobrze jest chwytać za miękki przewód, tak aby pole styku było jak największe. Gniazda bananowe to 5 do maksymalnie 10A jeśli zastosujemy porządne wtyczki. Wyżej będą powodowały za duże spadki napięcia. A jeśli już chcemy mierzyć porządnie i dokładnie, to nie możemy sobie na takowe pozwolić. Jakieś terminale zaciskane śrubą się sprawdzą, solidna śruba i solidny terminal „U” wkładany pod nakrętkę dadzą radę. I oczywiście odpowiednio grube przewody. Pomiar wykonany w taki sposób da gwarancję że zmierzymy prąd faktycznie występujący w układzie, nie zaniżając go naszą ingerencją, co ma zawsze miejsce w przypadku pomiaru za pomocą multimetru na zakresie 10A. Teraz jeśli już wiemy jaki jest prąd, możemy dla porównania zmierzyć go samym miernikiem, i sprawdzić o ile nas oszukiwał do tej pory.

bocznik-1Przykładowa realizacja, oto dwa wykonane przeze mnie boczniki. Jeden podwójny o wartości 2x 10mΩ składający się z dwóch rezystorów 20mΩ na stronę, oraz drugi, pojedynczy bocznik 1mΩ składający się z dziesięciu rezystorów 10mΩ, przeznaczony dla naprawdę dużych prądów. Płytki umocowane do połówek jakiejś starej uniwersalnej obudowy. Przerwę w polu miedzi wydrapałem na żywca, ale już tłumaczę czemu nie trawiłem, a mam ku temu jeden ale za to bardzo ważny powód. Otóż… nie chciało mi się. Co za masochista wyciągałby i uruchamiał całą aparaturę żeby wykonać przerwę w miedzi o długości 6cm? Nie ja :) Płytka zaopatrzona w tanie gniazda bananowe, ale z nakrętką którą można zacisnąć jakiś grubszy przewód lub konektor „U”. W razie czego można dać zwykłą nakrętkę. Całość otrzymała profesjonalny nadruk ze skróconą specyfikacją, wykonany flamastrem na kolanie :) Miedź dobrze będzie zabezpieczyć przed śniedzeniem, wystarczy psiknąć jakimś bezbarwnym lakierem lub innym wynalazkiem.

Jeszcze jedna ważna uwaga

bocznik-10mJak widać zmodyfikowałem lekko płytkę. Widać w którym miejscu były wcześniej przylutowane przewody. Trasy przepływu prądu bocznika i prądu pomiaru nanosiły się na siebie, w efekcie czego odkładało się dodatkowe niechciane napięcie które widział miernik, i wyniki pomiarów były zawyżane. Teraz są to osobne ścieżki, i poprzez ścieżkę pomiarową nie płynie główny prąd. Pomiar dokonywany jest z punktu w którym są przylutowane same boczniki.

bocznik-pomiarLewy oraz prawy miernik pokazują napięcie odłożone na dwóch bocznikach z płytki powyżej. Środkowy miernik mierzy prąd normalnie. Obydwa boczniki oraz środkowy miernik zostały połączone w szereg aby mierzyć ten sam prąd. Wszystkie pomiary się ze sobą pokrywają, i do tego właśnie należy dążyć. Mierniki zostały wcześniej skalibrowane z dokładnością do 1mV.


Jak to wygląda w praktyce

bocznik-pomiar-led

Teraz można porównać pomiar wykonany bocznikiem do pomiaru wykonanego bezpośrednio multimetrem i przekonać się na własnej skórze jakie ten drugi wprowadza straty. Na ten przykład dioda XM-L2 zasilana z ogniwa 18650, 8 driverami AMC7135 350mA każdy, daje to stały prąd w okolicach 2,8A.



miernik-zwykly-pomiarbocznik-1mvPo lewej pomiar na zakresie 10A. Po prawej pomiar bocznikiem 1mΩ, wynik to 2,86A, prawda że sporo więcej?


Nie trudno się domyślić jaki błąd by wystąpił przy pomiarze 10A lub więcej.

bocznik-2

Co takim bocznikiem możemy mierzyć? W sumie wszystko. Nawet prąd rozruchu przy silniku diesla mierzony w setkach amper – żaden problem. Należy tylko zapewnić jak najlepszy kontakt elektryczny, wpinając się w instalację rozrusznika. Można mierzyć prąd stały jak i przemienny, wystarczy przełączyć miernik na pomiar napięcia przemiennego.

5.00 avg. rating (98% score) - 4 votes

9 komentarzy

  1. Fajny pomysł i realizacja, jest jednak błąd w wielkości mocy traconej na boczniku – bardzo zaniżonej wzór na moc P=J²R (przy boczniku 1mΩ i prądzie 1000A to aż 1000W)
    Pozdrawiam

    • No własnie ktoś mi już zwracał uwagę że mam błędy w obliczeniach ale nie miałem wtedy jakoś do tego głowy i zapomniałem. Tekst poprawiłem, mam nadzieję że będzie już ok :)

      1000A to przesada, ale 100A da „zaledwie” 10W strat i jeśli cały bocznik jest zbudowany z 10 sztuk to rozproszenie tego nie powinno być problemem.

  2. „Jakieś terminale zasikane śrubą się sprawdzą” – domyślam się miało być zaciskane ;-)

  3. Nic nie napisałeś o mocy tych boczników. Ile takich 1mOhm trzeba wlutować do pomiaru 200A przy 12V?

  4. Nie ile sztuk 1mΩ (bo wtedy wyjdzie całkiem inna rezystancja) tylko z ilu rezystorów należy zbudować bocznik 1mΩ. Ja swój zbudowałem z 10szt 10mΩ. Napięcie obwodu w którym mierzymy prąd nie ma tu znaczenia. Znaczenie ma tylko prąd i opór, przykładowo dla 100A na oporności 1mΩ odłoży się napięcie 100mV. Teraz 100A * 0.1V = 10W. Taką moc musi rozproszyć 10 rezystorów na płytce. Dla 1000A odłożone napięcie to 1V więc 1000A * 1V to moc 1000W.

    Oczywiście można zbudować bocznik 100µΩ z 10 rezystorów 1mΩ, ale do takich prądów należałoby zastanowić się nad innym rozwiązaniem.

  5. Witam, potrzebuję podłączyć amperomierz prądu stałego 2,5KA 60mva
    Nie moge nigdzie kupić takiego bocznika, czy mogę podłączyć 5 boczników po 500A równolegle ? lub jeden 1000 i drugi 1500A ?

    • 60mva? Czyli 60mV na każdy amper? Przecież przy 2,5kA to by dało 150V spadku.

  6. 60mV , przepraszam, źle napisałem.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Proszę pozostawić te dwa pola tak jak są: